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杨江义教授课题组在多年生水稻研究中取得新进展
2020-12-02 09:59  

       近期,广西大学杨江义教授课题组在多年生水稻遗传研究中取得新进展【1,2】,共定位到13个数量性状基因位点(QTL),并初步验证了其中两个候选基因的功能。

多年生长雄蕊野生稻 (杨江义课题组供图)

         重要的粮食作物如水稻、小麦和玉米都是一年生禾本科植物。相较于一年生作物,多年生作物生长周期更长、根系入土更深、能够截留利用更多的降水,从而在固碳、防止土壤侵蚀和维持土壤生态系统健康等方面具有优势【3】。根状茎(rhizome,比如竹鞭、高粱七、芦根、白茅根、藕带等)是一种在土壤中横向生长的类似根的地下茎,是禾本科植物实现多年生的关键器官,它使得许多植物能够熬过恶劣的环境条件【4】。根状茎在土中横向生长一段距离后就上翘,长出土面成为新植株。对植物地上茎的研究比较多,而对地下茎的研究则少得多。鉴定根状茎调控基因,不仅有利于多年生谷物、饲料和草坪草的培育,还有助于控制入侵性的多年生杂草。但到目前为止,植物根状茎发育调控基因还未被鉴定或克隆。低效益、高风险、土地流转困难等因素打击年轻人的种粮积极性,我国粮食生产后续乏人。培育多年生水稻将有助于降低种粮成本,减少劳动力投入,适合空心村的水稻生产。此外,水稻作为一种模式植物,其根状茎研究方法和成果将有助于其他植物的根状茎研究。

        西方国家比较重视多年生小麦、高粱、玉米等的研究,中国和日本则比较重视多年生水稻研究。云南省农科院的陶大云、胡凤益等从1994年开始进行多年生水稻研究【5】,2003年在美国科学院院刊(PNAS)上发表了根状茎QTL定位结果【4】。目前,胡凤益在云南大学继续开展多年生水稻研究,在多年生稻品种选育、种植推广等方面取得了一系列的成绩。日本早在20世纪60年代就开始水稻根状茎的研究,但都属于零星研究,经费投入少。Science杂志于2010年发表社论【3】,呼吁学界重视多年生作物研发,国际上掀起了研究多年生作物的热潮。2013年日本启动了多年生水稻根状茎基础研究专项作物の地下茎による栄養繁殖化に向けた基盤技術の開発2013-2018),由名古屋大学的Motoyuki Ashikari教授牵头,東北大学、理化研究所、东京大学等单位参与,经费约两千万人民币。2018年日本又启动了新一轮的相关项目“Characterization and genetic analysis for stress tolerance in rice lines carrying chromosome segments of Oryza Longistaminata” 2018-2021),由名古屋大学的Makihara Daigaku副教授牵头,投资比上一轮稍多。根据他们的年度进展报告(日本科学技术振兴机构网站查询),他们取得了不少成果,定位到10QTL,但未鉴定到根状茎发育调控基因。广西大学杨江义教授课题组从2014年开始对多年生水稻进行系统研究,已取得了一些创新性的成果,找到了把遗传和环境效应分开的办法,可以避免走弯路。
       长雄蕊野生稻(O. longistaminata)具有两种形态的茎:地上茎和在地下生长的根状茎。其中在地面以上跟栽培稻生长发育相似的茎为地上茎;而在地面下具有营养储存、无性繁殖能力且能帮助长雄蕊野生稻度过恶劣环境的为根状茎。栽培稻没有根状茎这种多年生器官。跟栽培稻类似,长雄蕊野生稻地上茎基部也有短缩节,其上也长有腋芽。栽培稻的腋芽萌发后都向上生长成为地上茎(分蘖)。长雄蕊野生稻腋芽萌发后向上生长的成为地上茎,横向生长的则发育成为根状茎。杨江义教授课题组对野生稻基部短缩节的腋芽发育研究表明,位置靠下的腋芽发育为根状茎,而靠上的发育为地上茎【6】。
    作为水稻根状茎理想供体材料的长雄蕊野生稻虽然与栽培稻都为AA基因组,但是两者之间花期难遇、杂种幼胚败育等原因【4】,使得将根状茎性状转移到栽培稻时困难重重。更麻烦的是,栽/野稻杂交后代根状茎性状丢失严重。在栽培稻跟长雄蕊野生稻的杂交F1中,大多数杂交组合都没有观察到根状茎【5,7】,只有少量杂交F1植株有根状茎出现【4,8】。以栽培稻为轮回亲本构建近等基因系,根状茎性状迅速丢失,导致基因精细定位无法进行。国际上目前对植物根状茎调控基因的研究还停留在初步定位的阶段,进一步的基因鉴定克隆还未见报道4,9】。
    杨江义课题组克服重重困难,以长雄蕊野生稻和亚洲栽培稻分别为父本和母本进行不完全双列杂交,分析了亲本的一般配合力和特殊配合力对根状茎发育的影响,发现母本的一般配合力显著影响杂交F1代根状茎长短,而杂交组合间的特殊配合力对杂交F1根状茎影响不显著【1】。这说明,想要获得具有根状茎的栽/野稻杂交F1,栽培稻的选择至关重要。在对根状茎表型进行考察时,考虑到同一植株各根状茎长度(Rhizome length)变幅很大,改为采用更稳定的根状茎扩展距离(Rhizome extension distance)作为根状茎表型。这也是国际上首次获得的长雄蕊野生稻跟栽培稻的双列杂交后代,为根状茎研究奠定了坚实的材料基础。从中挑选出根状茎表达强且套袋自交结实率高(易于扩大研究群体)的杂交F1(图1用于后续研究。

栽培稻、长雄蕊野生稻和杂交F1的根状茎表型。

A:母本栽培稻BalillaB:杂交F1C:父本长雄蕊野生稻(O. longistaminata)

     杨江义课题组进一步构建了栽/野稻杂交F2遗传群体,采用全群体分析(EPGM)和选择基因分析(SGM)的定位方法,在4年内对6F2群体的根状茎数量性状调控基因(QTL)进行了检测【2】。本研究首次采用SGM法研究根状茎,结果发现,SGM较常用的EPGM能检测出更多的QTL,对微效QTL的检出具有重要意义。两种方法共鉴定出了13个调控根状茎发育的QTL,其中有5个为主效QTL。根状茎发育良好的单株至少携带3个主效QTL和一定数量的微效QTL,单个QTL不能保证植株根状茎的形成。这也解释了为什么随着回交世代增加,根状茎表型会迅速丢失。
        在以栽培稻为轮回亲本构建近等基因系时,虽然随着回交世代的增加回交后代根状茎迅速丢失,但如果将近等基因系与长雄蕊野生稻测交则能放大单个QTL的表型效应,从而可以进行基因精细定位。但由于测交父母本之间花期难遇、杂种幼胚败育等原因,这会带来巨大的测交工作量。
        除遗传因素外,根状茎发育还受到环境极显著的影响,环境效应甚至可以掩盖遗传效应。前人的研究未意识到环境效应竟然如此之大,无意识地混淆了根状茎发育中的遗传和环境效应,导致结果重复性不好。另一方面,即使是最适于根状茎表达的环境条件组合也无法让栽培稻长出根状茎,说明遗传还是起先导作用。经过长期探索,课题组发现水稻根状茎的有无主要决定于遗传,而根状茎何时上翘(决定了根状茎长度)则受环境的影响较大。提示在进行遗传效应分析时要严格控制环境条件,这样才能得到重复性高的实验结果。
       为了鉴定水稻中控制根状茎发育的基因,杨江义课题组采用双管齐下的方法:一方面采用正向遗传学方法,以长雄蕊野生稻为轮回亲本构建近等基因系来实现基因的图位克隆。另一方面,采用反向遗传学的手段,从影响根状茎发育的光、温和激素等方面入手,探索根状茎发育的基因调控网络,并结合QTL定位结果确定候选基因,再通过遗传转化来验证这些基因的功能。通过反向遗传学方法,课题组已初步验证了其中两个候选基因的功能。
        杨江义教授课题组的在读博士生范智权王凯饶江雷以及助理教授范优荣博士对项目有较大贡献。本研究得到国家和广西自然科学基金项目等经费支持。 

参考文献

1. Fan, Z., et al., Combining ability analysis on rhizomatousness via incomplete diallel crosses between perennial wild relative of rice and Asian cultivated rice. Euphytica, 2020. 216(9).

2. Fan, Z., et al., Interactions Among Multiple Quantitative Trait Loci Underlie Rhizome Development of Perennial Rice. Frontiers in Plant Science, 2020. 11(1757).

3. Glover, J.D., et al., Increased Food and Ecosystem Security via Perennial Grains. Science, 2010. 328(5986): p. 1638-1639.

4. Hu, F.Y., et al., Convergent evolution of perenniality in rice and sorghum. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2003. 100(7): p. 4050-4054.

5. 子辉, 为了"像种果树一样种水稻". 西部大开发, 2006(4): p. 38-39.

6. Fan, Z.Q., et al., Bud Position and Carbohydrate Play a More Significant Role than Light Condition in the Developmental Transition between Rhizome Buds and Aerial Shoot Buds of Oryza longistaminata. Plant and Cell Physiology, 2017. 58(8): p. 1281-1282.

7. Ghesquiere, A., Re-examination of genetic control of the reproductive barrier between Oryza longistaminata and O. sativa and relationship with rhizome expression, in Rice Genetics II, K. GS, Editor. 1991, International Rice Research Institute (IRRI): Los Banos, Philippines. p. 729-730.

8. Masahiko, M., et al., Inheritance of the rhizomatous trait in hybrids of Oryza longistaminata Chev. et Roehr. and O. sativa L. SABRAO Journal of Breeding and Genetics, 1998. 30(2): p. 69-72.

9. Ma, A., et al., The Genetics and Genome-Wide Screening of Regrowth Loci, a Key Component of Perennialism in Zea diploperennis. G3-Genes Genomes Genetics, 2019. 9(5): p. 1393-1403.

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